Sono state scoperte doppie fasi topologiche in un cristallo monostrato intrinseco, una scoperta che rivela nuove e uniche proprietà di piegamento delle regole in un materiale quantistico, ha riferito recentemente un team internazionale di scienziati guidati da fisici del Boston College nella versione online della rivista Natura .
La scoperta di un doppio isolante topologico introduce un nuovo metodo per creare minibande piatte topologiche attraverso interazioni elettroniche, che offrono una piattaforma promettente per esplorare fasi quantistiche esotiche ed elettromagnetismo, ha riferito il team.
"Abbiamo prodotto sperimentalmente campioni di TaIrTe4 di alta qualità e atomicamente sottili e ha sviluppato dispositivi elettronici corrispondenti," Qiong Ma, professore assistente di fisica del Boston College, autore principale del rapporto. "Ciò che è particolarmente intrigante è la nostra scoperta non solo di uno, ma di due stati topologici isolanti, oltre le previsioni della teoria."
I risultati introducono un nuovo effetto che il team chiama il doppio isolante topologico o il doppio isolante Hall di spin quantistico, ha detto Ma.
Strati bidimensionali eccezionalmente sottili di un materiale cristallino chiamato TaIrTe4 , creati da tantalio, iridio e tellurio, sono stati al centro dell'attenzione del team di scienziati della BC, del MIT, dell'Università di Harvard, dell'UCLA, della Texas A&M, dell'Università del Tennessee, della Nanyang Technological University di Singapore, dell'Accademia cinese delle scienze e dell'Istituto nazionale giapponese Istituto per la scienza dei materiali.
Ogni strato ha uno spessore inferiore a 1 nanometro, ovvero oltre 100.000 volte più sottile di una ciocca di capelli umani. Questi strati, o "scaglie", sono stati accuratamente staccati da un cristallo più grande utilizzando un metodo semplice che prevede l'utilizzo di nastro adesivo trasparente, una tecnica premiata con il Premio Nobel e ampiamente utilizzata nella scienza dei materiali.
"La nostra indagine mirava a capire come questi materiali conducono l'elettricità", ha detto Ma. "Data la dimensione minuscola di questi materiali, abbiamo utilizzato tecniche avanzate di nanofabbricazione, tra cui la fotolitografia e la litografia a fascio di elettroni, per stabilire contatti elettrici di dimensioni nanometriche."
Ma ha affermato che l'obiettivo principale del progetto era testare la previsione teorica che suggerisce il TaIrTe4 più sottile Lo strato agisce come un isolante topologico bidimensionale, noto anche come isolante Hall di spin quantistico, un nuovo materiale in cui il suo interno è isolante e l'elettricità scorre lungo i suoi confini senza alcuna perdita di energia. Questa combinazione unica rende questi materiali al centro dell'attenzione dei ricercatori che cercano di sviluppare le generazioni future di dispositivi elettronici efficienti dal punto di vista energetico.
Attraverso la manipolazione di parametri specifici, denominati tensioni di gate, il team ha trovato TaIrTe4 La transizione tra i due stati topologici distinti, ha detto Ma. In entrambi i casi, il materiale presenta una conduttività elettrica pari a zero al suo interno, mentre i suoi confini rimangono conduttivi. Attraverso un'indagine sperimentale e teorica sistematica, abbiamo determinato che questi due stati topologici derivano da origini disparate.
I risultati, che hanno superato le previsioni teoriche, hanno sorpreso gli scienziati.
"In genere, l'aggiunta di elettroni a un materiale ne aumenta la conduttività a causa del maggior numero di portatori di carica o di elettricità", ha detto Ma. "Inizialmente, il nostro sistema si è comportato come previsto ed è diventato più conduttivo con l'aggiunta di elettroni.
"Tuttavia, oltre un certo punto, l'aggiunta di più elettroni ha reso inaspettatamente isolante l'interno, con conduzione elettrica solo ai confini e senza perdita di energia, che è esattamente di nuovo una fase topologica isolante proprio come al punto di partenza quando l'interno non ha elettroni . Questo passaggio ad una seconda fase di isolamento topologico è del tutto inaspettato."
Ma ha affermato che il lavoro futuro sulla scoperta include collaborazioni con gruppi esperti in altre tecniche specializzate, come le sonde per imaging su scala nanometrica, per comprendere ulteriormente il comportamento inaspettato.
"Ci concentreremo anche sul perfezionamento della qualità del nostro materiale per migliorare la già impressionante conduzione topologica senza dissipazione", ha affermato Ma. "Inoltre, prevediamo di costruire eterostrutture basate su questo nuovo materiale per sbloccare comportamenti fisici ancora più intriganti."
Al Boston College, Ma collaborò con i professori di fisica Kenneth Burch e Ziqiang Wang; personale della Clean Room dell'Ateneo; i dottorandi post-doc Jian Tang, Zumeng Huang e Zhe Sun; gli studenti laureati Thomas Siyuan Ding, Michael Geiwitz, Mohamed Shehabeldin, Vsevolod Belosevich e Yiping Wang; e Zihan Wang, un ricercatore universitario in visita.
Ulteriori informazioni: Jian Tang et al, Isolante Hall a doppio spin quantistico mediante correlazioni sintonizzate sulla densità in TaIrTe4 , Natura (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07211-8
Informazioni sul giornale: Natura
Fornito dal Boston College
